科學家們掀開了中微子神秘面紗的一角

位于南極點冰立方中微子天文臺（IceCube Neutrino Observatory），小圖為被冰立方天文臺檢測到的中微子與物質反應后產生的光子和τ子衰變。

天文學家利用被深深的埋藏在南極冰層下的冰立方天文臺找到了七個穿透地球的神秘“幽靈粒子”候選人。這些信號被認為是天體物理性τ中微子（astronomical τ neutrinos）；它們是高能物理事件和人類之間非常重要的信使。

在標準模型中，中微子被認為是不帶電，無質量的粒子（實際實驗將中微子質量上限劃在10-37kg，而實驗表明中微子是帶有一個極其微小的質量）。由于其極小的質量，它們可以在宇宙中以接近光速的速度穿行。奇怪的是，正因為中微子這些特征導致它們幾乎不予其他物質發生反應。如果你是一個中微子探測器的話，大約100兆個中微子會在一秒內穿過你，而你要等大約100年才能等到一個中微子與你體內的一個粒子發生反應。這也是為什么中微子被稱為“幽靈粒子”。

高能中微子一般產生于銀河系邊緣的高能物理事件，我們稱它為天體物理性中微子。這種中微子有著三種“味”（flavor，一個描述基本粒子的物理量，類似于種類），電中微子，μ中微子，τ中微子。這三味中微子都十分的難以捉摸，但是它們還是被冰立方天文臺發現了，2013年冰立方天文臺首次捕捉到了這類中微子的信號。現在，他們貌似檢測到了天體物理性τ中微子，這可能是一種我們從未接觸過的全新粒子。

“結合非常低的背景噪聲，這次檢測到的7個信號十分有可能是正兒八經的τ中微子，” 道格·考恩，這項研究的副領導人，賓夕法尼亞州立大學物理學教授在一份聲明中說道。“這次發現的天體物理性τ中微子同時也會為冰立方之前的中微子信號提供一個確認。”

冰層之下

為了檢測這些穿透地球的中微子信號，冰立方采用的許多串被稱為數字光學模塊（Digital Opitcal Modules, DOMs）的金球。

（DOMs，圖源：Science Collection Group）

這些金球被深埋在冰層之下，總共有5160個DOM被如此的埋藏在南極的冰層下。當中微子與南極的冰分子發生發應并產生帶電粒子后，這些粒子會發出藍色的光并被DOM記錄下來。

特別的，當天體物理性τ中微子與南極的冰分子發生反應之后，產生的粒子會帶有一個特殊的波長，包括獨特的雙聯級事件導致的輻射具有獨特的雙峰值信號。

過去，冰立方捕捉到了類似與τ中微子粒子的信號，但是道格·考恩為了準確性，想確認它們是真正的τ中微子。

其他味的中微子可以被冰立方“實時”的檢測到，但是τ中微子不行。這些幽靈粒子要在十年中收集的數據中尋找蛛絲馬跡。但是，研究團隊并沒有決定苦苦的人力尋找這些信號。他們使用了一種名叫“圖像分類優化卷積神經網絡”的方法去研究冰立方在2011到2020年內收集的數據。

經過分析，這些數據最終給出了7個很有可能的τ中微子候選人。研究團隊也考慮到了假信號的可能性，但是道格·考恩說假信號的可能性大約為三百五十萬分之一。

目前的信號僅僅用到了三串DOM檢測器，但是未來的分析會用到更多冰層下的DOM探測器。這不僅會提升檢測到的τ中微子數量，還會幫助科學家們進行第一個研究三代中微子震蕩的實驗。中微子震蕩是指中微子在穿越很長距離中改變自己的味的過程。

了解中微子震蕩的過程對于了解中微子產生過程，它們為什么為在宇宙中長途跋涉如此長的距離而不被影響，和中微子震蕩產生的原因具有重要意義。

“總的來說，這個令人驚喜的發現可能會用τ中微子打開物理的全新大門。” 道格·考恩總結道。

研究團隊的研究成果被發表在了arXiv的論文庫中，并被《物理評論快報》所接受。

相關知識

中微子（意大利語：Neutrino，其字面上的意義為“微小的電中性粒子”，又譯作微中子）是一種電中性的基本粒子[4]，自旋量子數為?，以希臘字母ν標記。現在已經有證據表明其具有質量。但其質量即使相比于其他亞原子粒子也是非常微小的。它可能是現在唯一一種已探測到的暗物質，是一種熱暗物質。[5]

中微子與電子、μ子以及τ子同屬輕子，有三種“味”：電中微子

。每種味的中微子都相應存在一種同樣電中性且自旋量子數為?的反中微子。在標準模型中，中微子的產生過程遵循輕子數守恒定律。

由于中微子是電中性的，同時還是一種輕子，因此不參與強相互作用以及電磁相互作用,而只參與引力相互作用以及弱相互作用。[4] 由于弱相互作用距離非常短，而引力相互作用在亞原子尺度下又是十分微弱的，因而中微子在穿過一般物質時不會受到太多阻礙，且難以檢測。

中微子可以通過放射性衰變以及核反應等多種方式產生。由于太陽內部時時刻刻都在發生著核反應，而超新星產生等過程也會伴隨著劇烈的核反應，因而在宇宙射線中可以檢測到中微子的存在。地球附近所檢測到的中微子大多來源于太陽。事實上，地球面向太陽的區域每秒鐘在每平方厘米上都會穿過大約650億個來自太陽的中微子。[6]

人們現在認識到中微子在飛行過程中會在不同味間振蕩，比如β衰變中產生的電中微子可能在檢測時會變為μ中微子或τ中微子。這一現象表明中微子具有質量，且不同味的中微子的質量也是不同的。依據現在宇宙學探測的數據，三種味的中微子質量之和小于電子質量的百萬分之一。

BY: Robert Lea

FY: Chen Li

如有相關內容侵權，請在作品發布后聯系作者刪除

轉載還請取得授權，并注意保持完整性和注明出處

來源: 天文在線